ECOLOGIA MICROBIANA: HISTÓRIA, OBJETO DE ESTUDO E APLICAÇÕES - BIOLOGIA - 2025

A ecologia microbiana é uma disciplina da microbiologia ambiental decorrente da aplicação dos princípios ecológicos à microbiologia (mikros: pequeno, bios: vida, logos: estudo).

Esta disciplina estuda a diversidade de microrganismos (organismos unicelulares microscópicos de 1 a 30 µm), as relações entre eles com o resto dos seres vivos e com o meio ambiente.

Figura 1. Algas, bactérias e protozoários amebóides interagindo em amostras de água não tratada. Fonte: CDC / Janice Haney Carr, em: publicdomainfiles.com

Uma vez que os microrganismos representam a maior biomassa terrestre, suas atividades e funções ecológicas afetam profundamente todos os ecossistemas.

A atividade fotossintética inicial das cianobactérias e o conseqüente acúmulo de oxigênio (O ₂) na atmosfera primitiva representa um dos exemplos mais claros de influência microbiana na história evolutiva da vida no planeta Terra.

Isso, tendo em vista que a presença de oxigênio na atmosfera, permitiu o surgimento e evolução de todas as formas de vida aeróbias existentes.

Figura 2. Cianobactérias em forma de espiral. Fonte: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Os microrganismos mantêm uma atividade contínua e essencial para a vida na Terra. Os mecanismos que mantêm a diversidade microbiana da biosfera são a base da dinâmica dos ecossistemas terrestres, aquáticos e aéreos.

Dada a sua importância, a possível extinção de comunidades microbianas (devido à contaminação de seus habitats por substâncias tóxicas industriais), geraria o desaparecimento de ecossistemas dependentes de suas funções.

História da ecologia microbiana

Princípios de ecologia

Na primeira metade do século 20, os princípios da ecologia geral foram desenvolvidos, considerando o estudo de plantas e animais “superiores” em seu ambiente natural.

Os microrganismos e suas funções ecossistêmicas foram então ignorados, apesar de sua grande importância na história ecológica do planeta, tanto por representarem a maior biomassa terrestre quanto por serem os organismos mais antigos na história evolutiva da vida na Terra..

Naquela época, apenas os microrganismos eram considerados degradadores, mineralizadores de matéria orgânica e intermediários em alguns ciclos de nutrientes.

Microbiologia

Considera-se que os cientistas Louis Pasteur e Robert Koch fundaram a disciplina da microbiologia ao desenvolver a técnica de cultura microbiana axênica, que contém um único tipo de célula, descendente de uma única célula.

Figura 3. Cultura bacteriana axênica. Fonte: pixabay.com

No entanto, em culturas axênicas as interações entre as populações microbianas não puderam ser estudadas. Era necessário desenvolver métodos que permitissem o estudo das interações biológicas microbianas em seus habitats naturais (a essência das relações ecológicas).

Os primeiros microbiologistas a examinar as interações entre microrganismos, no solo e as interações com as plantas, foram Sergéi Winogradsky e Martinus Beijerinck, enquanto a maioria se concentrou no estudo de culturas axênicas de microrganismos relacionadas a doenças ou processos de fermentação de interesse comercial.

Winogradsky e Beijerinck estudaram em particular as biotransformações microbianas de nitrogênio inorgânico e compostos de enxofre no solo.

Ecologia microbiana

No início dos anos 1960, na era da preocupação com a qualidade ambiental e o impacto poluente das atividades industriais, a ecologia microbiana surgiu como uma disciplina. O cientista americano Thomas D. Brock, foi o primeiro autor de um texto sobre o assunto em 1966.

Porém, foi no final da década de 1970 que a ecologia microbiana se consolidou como uma área multidisciplinar especializada, por depender de outros ramos científicos, como ecologia, biologia celular e molecular, biogeoquímica, entre outros.

Figura 4. Interações microbianas. Fonte: Public Health Image Library, em publicdomainfiles.com

O desenvolvimento da ecologia microbiana está intimamente relacionado aos avanços metodológicos que permitem estudar as interações entre os microrganismos e os fatores bióticos e abióticos de seu ambiente.

Na década de 1990, as técnicas de biologia molecular foram incorporadas ao estudo even in situ da ecologia microbiana, oferecendo a possibilidade de explorar a vasta biodiversidade existente no mundo microbiano e também conhecer suas atividades metabólicas em ambientes sob condições extremas.

Figura 5. Interações microbianas. Fonte. Janice Haney Carr, USCDCP, em: pixnio.com

Posteriormente, a tecnologia do DNA recombinante permitiu avanços importantes na eliminação de contaminantes ambientais, bem como no controle de pragas comercialmente importantes.

Métodos em ecologia microbiana

Dentre os métodos que têm permitido o estudo in situ de microrganismos e sua atividade metabólica, estão:

• Microscopia confocal a laser.
• Ferramentas moleculares, como sondas de genes fluorescentes, que permitiram o estudo de comunidades microbianas complexas.
• A reação em cadeia da polimerase ou PCR (por sua sigla em inglês: Polymerase Chain Reaction).
• Marcadores radioativos e análises químicas, que permitem medir a atividade metabólica microbiana, entre outros.

Subdisciplinas

A ecologia microbiana geralmente é dividida em subdisciplinas, como:

• A autoecologia ou ecologia de populações geneticamente relacionadas.
• A ecologia de ecossistemas microbianos, que estuda as comunidades microbianas em um determinado ecossistema (terrestre, aéreo ou aquático).
• Ecologia biogeoquímica microbiana, que estuda processos biogeoquímicos.
• Ecologia das relações entre o hospedeiro e os microrganismos.
• Ecologia microbiana aplicada a problemas de contaminação ambiental e na restauração do equilíbrio ecológico em sistemas intervencionados.

Áreas de estudo

Entre as áreas de estudo da ecologia microbiana estão:

• Evolução microbiana e sua diversidade fisiológica, considerando os três domínios da vida; Bacteria, Arquea e Eucaria.
• Reconstrução das relações filogenéticas microbianas.
• Medições quantitativas do número, biomassa e atividade de microrganismos em seu ambiente (incluindo os não cultiváveis).
• Interações positivas e negativas dentro de uma população microbiana.
• As interações entre diferentes populações microbianas (neutralismo, comensalismo, sinergismo, mutualismo, competição, amensalismo, parasitismo e predação).
• Interações entre microrganismos e plantas: na rizosfera (com microrganismos fixadores de nitrogênio e fungos micorrízicos) e nas estruturas aéreas das plantas.
• Fitopatógenos; bacteriana, fúngica e viral.
• Interações entre microrganismos e animais (simbiose intestinal mutualística e comensal, predação, entre outras).
• A composição, funcionamento e processos de sucessão nas comunidades microbianas.
• Adaptações microbianas a condições ambientais extremas (estudo de microrganismos extremofílicos).
• Os tipos de habitats microbianos (atmosfera-ecosfera, hidro-ecosfera, lito-ecosfera e habitats extremos).
• Ciclos biogeoquímicos influenciados por comunidades microbianas (ciclos de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre, fósforo, ferro, entre outros).
• Várias aplicações biotecnológicas em problemas ambientais e de interesse económico.

Formulários

Os microrganismos são essenciais nos processos globais que permitem a manutenção da saúde ambiental e humana. Além disso, eles servem como um modelo no estudo de inúmeras interações populacionais (por exemplo, predação).

A compreensão da ecologia fundamental dos microrganismos e seus efeitos no meio ambiente tem permitido identificar as capacidades metabólicas biotecnológicas aplicáveis ​​a diferentes áreas de interesse econômico. Algumas dessas áreas são mencionadas abaixo:

• Controle da biodegradação por biofilmes corrosivos de estruturas metálicas (como dutos, contentores de resíduos radioativos, entre outros).
• Controle de pragas e patógenos.
• Restauração de solos agrícolas degradados por superexploração.
• Biotratamento de resíduos sólidos em compostagem e aterros.
• Biotratamento de efluentes, por meio de sistemas de tratamento de efluentes (por exemplo, utilizando biofilmes imobilizados).
• Biorremediação de solos e águas contaminados com substâncias inorgânicas (como metais pesados) ou xenobióticos (produtos sintéticos tóxicos, não gerados por processos biossintéticos naturais). Estes compostos xenobióticos incluem halocarbonos, nitroaromáticos, bifenilos policlorados, dioxinas, alquilbenzilsulfonatos, hidrocarbonetos de petróleo e pesticidas.

Figura 6. Contaminação ambiental com substâncias de origem industrial. Fonte: pixabay.com

• Biorrecuperação de minerais por meio da biolixiviação (por exemplo, ouro e cobre).
• Produção de biocombustíveis (etanol, metano, entre outros hidrocarbonetos) e biomassa microbiana.

Referências

1. Kim, MB. (2008). Progress in Environmental Microbiology. Editor de Myung-Bo Kim. pp 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA e Brock, T. (2015). Biologia de Brock de microrganismos. 14 ed. Benjamin Cummings. pp 1041.
3. Madsen, EL (2008). Microbiologia Ambiental: Dos Genomas à Biogeoquímica. Wiley-Blackwell. pp 490.
4. McKinney, RE (2004). Microbiologia de controle da poluição ambiental. M. Dekker. pp 453.
5. Prescott, LM (2002). Microbiologia. Quinta edição, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. pp 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Extremófilos como fonte de novas enzimas. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
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